JP2009020998A - Multilevel phase change memory device to reduce read error, and readout method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体メモリ装置に係り、特に相変化メモリ装置(Phase change memory device)及びその読み出し方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly, to a phase change memory device and a reading method thereof.
ランダムアクセス(Random access)が可能であり、高集的及び大容量を実現できる半導体メモリ装置の需要は、益々増加している。このような半導体メモリ装置では、現在、携帯用電子機器などに主に使用されるフラッシュメモリ(Flash memory)が代表的である。その他にDRAMのキャパシタを、不揮発性を有する物質に替えた半導体メモリ装置が登場している。強誘電体キャパシタを用いた強誘電体RAM(Ferroelectric RAM;FRAM)、TMR(TMR;Tunneling magneto−resistive)膜を用いたマグネチックRAM(Magnetic RAM;MRAM)、及びカルコゲン化合物(Chalcogenide alloys)を用いた相変化メモリ装置(Phase change memory device)などがある。特に、相変化メモリ装置は、不揮発性メモリ装置であり、その製造過程が比較的に簡単で、低価で大容量のメモリを具現できる。 Random access is possible, and the demand for semiconductor memory devices capable of realizing high concentration and large capacity is increasing. A typical example of such a semiconductor memory device is a flash memory that is mainly used for portable electronic devices. In addition, semiconductor memory devices in which DRAM capacitors are replaced with non-volatile materials have appeared. Ferroelectric RAM (FRAM) using a ferroelectric capacitor, magnetic RAM (Magnetic RAM; MRAM) using a TMR (TMR; Tunneling magneto-resistive) film, and a chalcogenide alloy Phase change memory devices. Particularly, the phase change memory device is a non-volatile memory device, and its manufacturing process is relatively simple, and a low-priced and large-capacity memory can be implemented.
相変化メモリセルは、相異する電気的な読み出し特性を表すさまざまな構造的な状態(Structure states)の間で電気的に変わることができる物質を用いる。例えば、ゲルマニウム・アンチモン・テルル化合物GSTであるカルコゲン物質(Chalcogenide meterial)(以下、“GST物質”と称する)で作られたメモリ装置が知られている。GST物質は、比較的高い抵抗率(Resistivity)を表す非晶質状態(Amorphous state)と比較的低い抵抗率を表す結晶状態(Crystalline state)との間でプログラムされる。すなわち、相変化メモリセルは、GST物質を加熱することによってプログラムされる。加熱の大きさ及び期間は、GST物質が非晶質状態または結晶状態で残っているか否かを決定する。高い抵抗率及び低い抵抗率は、プログラムされた値‘1’及び‘0’を表し、これはGST物質の抵抗率を測定することによって感知できる。 Phase change memory cells use materials that can be electrically changed between various structural states that represent different electrical read characteristics. For example, a memory device made of a chalcogenide material (hereinafter referred to as “GST substance”) which is a germanium / antimony / tellurium compound GST is known. The GST material is programmed between an amorphous state exhibiting a relatively high resistivity (Amorphous state) and a crystalline state representing a relatively low resistivity (Crystalline state). That is, the phase change memory cell is programmed by heating the GST material. The magnitude and duration of the heating determines whether the GST material remains in an amorphous or crystalline state. High and low resistivity represent programmed values '1' and '0', which can be sensed by measuring the resistivity of the GST material.
一般的な相変化メモリ装置において、メモリセルは、抵抗素子とスイッチ素子からなる。図1A及び図1Bは、相変化メモリ装置のメモリセルを示す。図1Aに示すように、相変化メモリ装置のメモリセル10は、抵抗素子である可変抵抗体11と、スイッチ素子であるアクセストランジスタ12とからなる。可変抵抗体11は、ビットラインBLに連結される。アクセストランジスタ12は、可変抵抗体11と接地との間に連結される。アクセストランジスタ12のゲートには、ワードラインWLが連結されている。ワードラインWLに所定の電圧が印加されれば、アクセストランジスタ12はターン−オン(Turn−on)される。アクセストランジスタ12がターン−オン(Turn−on)されれば、可変抵抗体11にはビットラインBLを通して電流Icが供給される。図1Bは、他の形態の相変化メモリ装置のメモリセル20を示す。他の形態のメモリセル20は、抵抗素子である可変抵抗体21とスイッチ素子であるダイオード22とを含む。ダイオード22は、ワードラインWL電圧によってターン−オン(Turn−on)またはターン−オフ(Turn−off)される。
In a general phase change memory device, a memory cell includes a resistance element and a switch element. 1A and 1B show memory cells of a phase change memory device. As shown in FIG. 1A, the
可変抵抗体11、21は、相変化物質(Phase change material)(図示せず)を含む。相変化物質は、結晶状態(Crystal state)と非晶質状態(Amorphous state)で定義される2つの安定した状態のうち、何れか一つの状態で存在する。相変化物質は、ビットラインBLを通して供給される電流Icによって結晶状態(Crystal state)または非晶質状態(Amorphous state)に変わる。相変化メモリ装置は、相変化物質のこのような特性を用いてデータをプログラムする。スイッチ素子は、MOSトランジスタ、ダイオードなどのような多様な素子を用いて具現されることができる。
The
図2は、可変抵抗体GSTに使用される相変化物質の特性を説明するためのグラフである。図2で曲線1は、相変化物質を非晶質状態(Amorphous state)に相転換するための温度条件を示す。曲線2は、相変化物質を結晶状態(Crystal state)に転換するための温度条件を示す。曲線1に示すように、相変化物質GSTは、電流パルスの供給を通して、時間T1の間、溶融温度(MelTiNg temperature;Tm)より高い温度で加熱した後、急速に冷却(Quenching)すれば、非晶質状態(Amorphous state)になる。非晶質状態は、普通リセット状態(Reset state)といい、データ‘1’に対応する。これと異なって、曲線2に示すように、相変化物質は決定化温度(Crystallization temperature;Tc)より高くて溶融温度Tmよりは低い温度で、時間T1より長い時間T2の間、加熱した後、徐々に冷却すると、結晶状態(Crystal state)になる。結晶状態は、普通セット状態(Set state)ともいい、データ‘0’に対応する。メモリセルの抵抗は、相変化物質に含まれる非晶質の量(Amorphous volume)によって変わる。メモリセルの抵抗は、非晶質状態の時最も高く、結晶状態の時最も低い。
FIG. 2 is a graph for explaining the characteristics of the phase change material used in the variable resistor GST. In FIG. 2, a
最近、一つのメモリセルに2−ビット以上のデータを格納する技術が開発されている。このようなメモリセルをマルチレベルセル(Multi−Level Cell:MLC)という。相変化メモリ装置において、マルチレベルセルは、リセット状態とセット状態との間に中間状態(Intermediates state)をさらに有する。マルチレベルセルを有する相変化メモリ装置のプログラム方法は、特許文献1に“Method and apparatus to program a phase change memory”という題目で掲示されていて、この発明のレファレンスに含まれる。
Recently, a technique for storing data of 2 bits or more in one memory cell has been developed. Such a memory cell is called a multi-level cell (MLC). In the phase change memory device, the multi-level cell further includes an intermediate state between a reset state and a set state. A method of programming a phase change memory device having a multi-level cell is disclosed in
相変化メモリ装置において、マルチレベルセルは、従来のシングル−レベルセルに比べてより大きいデータの格納容量を提供する。しかしながら、マルチレベルセルからデータを読み出すためには、より高い精密度を有する読み出し回路が備わらなければならない。すなわち、マルチレベル相変化メモリ装置の具現のために、抵抗素子の多様な抵抗の大きさを分別できる高解像度の感知増幅機能が切実に要求されている。
本発明の目的は、高解像度の読み出し性能を有するマルチレベル相変化メモリ装置及びその読み出し方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a multi-level phase change memory device having a high-resolution reading performance and a reading method thereof.
前記目的を達成するための本発明による相変化メモリ装置は、マルチビットデータの各々に対応する複数の抵抗状態のうち、何れか一つを有するようにプログラムされる複数のメインセルと、前記複数のメインセルがプログラムされる毎に、前記複数の抵抗状態のうち、相異する少なくとも2つの抵抗状態を有するようにプログラムされる複数のレファレンスセルと、前記複数のレファレンスセルを感知して前記複数の抵抗状態の各々を識別するためのレファレンス電圧を生成するレファレンス電圧発生回路と、を含む。 According to another aspect of the present invention, there is provided a phase change memory device comprising: a plurality of main cells programmed to have any one of a plurality of resistance states corresponding to each of multi-bit data; Each time the main cell is programmed, the plurality of reference cells programmed to have at least two different resistance states among the plurality of resistance states, and the plurality of reference cells are sensed to detect the plurality of reference cells. A reference voltage generating circuit for generating a reference voltage for identifying each of the resistance states of the reference voltage.
一実施形態によれば、前記複数のメインセルと前記複数のレファレンスセルは、同一のワードラインに連結される。 According to one embodiment, the plurality of main cells and the plurality of reference cells are connected to the same word line.
一実施形態によれば、前記複数のレファレンスセルは、前記複数の抵抗状態のうち、相異する2つの状態に対応する抵抗値を有するようにプログラムされる。 According to an embodiment, the plurality of reference cells are programmed to have resistance values corresponding to two different states of the plurality of resistance states.
一実施形態によれば、前記複数のレファレンスセルは、前記複数のメインセルが相異する抵抗の大きさを有する第1〜第4状態のうち、何れか一つの状態でプログラムされる毎に、前記第2状態でプログラムされる第1レファレンスセルと、前記第2状態より高い抵抗値を有する第3状態でプログラムされる第2レファレンスセルと、を含む。 According to one embodiment, each of the plurality of reference cells is programmed in any one of the first to fourth states having different resistance magnitudes. A first reference cell programmed in the second state; and a second reference cell programmed in a third state having a higher resistance than the second state.
一実施形態によれば、前記レファレンス電圧発生回路は、前記第1レファレンスセルのビットラインを感知して前記第1状態及び前記第2状態を識別するための第1レファレンス電圧と、前記第2レファレンスセルのビットラインを感知して前記第3状態及び前記第4状態を識別するための第3レファレンス電圧と、前記第1レファレンス電圧と前記第3レファレンス電圧とのレベルを用いて前記第2状態及び前記第3状態を識別するための第2レファレンス電圧を生成する。 According to an embodiment, the reference voltage generating circuit senses a bit line of the first reference cell to identify the first state and the second state, and the second reference voltage. The second state and the third state voltage using a third reference voltage for sensing the bit line of the cell to distinguish the third state and the fourth state, and the levels of the first reference voltage and the third reference voltage. A second reference voltage for identifying the third state is generated.
一実施形態によれば、前記第2レファレンス電圧は、前記第1レファレンス電圧と前記第3レファレンス電圧との算術平均である。 According to an embodiment, the second reference voltage is an arithmetic average of the first reference voltage and the third reference voltage.
一実施形態によれば、前記複数のレファレンスセルは、前記複数の抵抗状態の各々に対応する抵抗値を有するようにプログラムされる。 According to one embodiment, the plurality of reference cells are programmed to have a resistance value corresponding to each of the plurality of resistance states.
一実施形態によれば、前記複数のレファレンスセルの数は、前記複数の抵抗状態の各々に対応する。 According to an embodiment, the number of the plurality of reference cells corresponds to each of the plurality of resistance states.
一実施形態によれば、前記複数のレファレンスセルは、前記複数のメインセルが相異する抵抗の大きさを有する第1〜第4状態のうち、何れか一つに対応する抵抗値を有するようにプログラムされる毎に、前記第1状態でプログラムされる第1レファレンスセルと、前記第1状態より高い抵抗値を有する前記第2状態でプログラムされる第2レファレンスセルと、前記第2状態より高い抵抗値を有する前記第3状態でプログラムされる第3レファレンスセルと、前記第3状態より高い抵抗値を有する前記第4状態でプログラムされる第4レファレンスセルと、を含む。 According to an embodiment, the plurality of reference cells have a resistance value corresponding to any one of the first to fourth states in which the plurality of main cells have different resistance magnitudes. A first reference cell programmed in the first state, a second reference cell programmed in the second state having a higher resistance value than the first state, and the second state A third reference cell programmed in the third state having a high resistance value; and a fourth reference cell programmed in the fourth state having a higher resistance value than the third state.
一実施形態によれば、前記レファレンス電圧発生回路は、前記第1〜第4レファレンスセルのビットラインを感知して前記第1〜第4状態を各々識別するための第1ないし第3レファレンス電圧を生成する。 According to an embodiment, the reference voltage generation circuit detects first to third reference voltages for identifying the first to fourth states by sensing bit lines of the first to fourth reference cells. Generate.
一実施形態によれば、前記複数のメインセル及び前記複数のレファレンスセルの各々は、前記複数の抵抗状態のうち、何れか一つを有する可変抵抗体と、前記ワードラインに提供される選択信号に応答して選択されるようにスイッチする選択素子と、を含む。 According to an embodiment, each of the plurality of main cells and the plurality of reference cells includes a variable resistor having one of the plurality of resistance states and a selection signal provided to the word line. And a selection element that switches to be selected in response.
一実施形態によれば、前記可変抵抗体は、カルコゲン化合物(Chalcogenide alloys)で形成される。 According to one embodiment, the variable resistor is formed of a chalcogenide alloy.
一実施形態によれば、前記可変抵抗体は、前記複数の抵抗状態の各々に対応する結晶状態と複数の非晶質状態とを有する。 According to an embodiment, the variable resistor has a crystal state and a plurality of amorphous states corresponding to each of the plurality of resistance states.
一実施形態によれば、前記複数のメインセルの各々のビットライン電圧と前記レファレンス電圧とを比較して前記複数のメインセルに格納されたマルチビットデータを読み出す感知増幅回路をさらに含む。 According to one embodiment, a sense amplifier circuit that compares the bit line voltage of each of the plurality of main cells with the reference voltage and reads multi-bit data stored in the plurality of main cells is further included.
一実施形態によれば、前記複数のメインセルがプログラムされる毎に、前記複数の抵抗状態のうち相異する少なくとも2つの状態を有するように、前記複数のレファレンスセルをプログラムする書き込みドライバをさらに含む。 According to one embodiment, a write driver for programming the plurality of reference cells to have at least two different states among the plurality of resistance states each time the plurality of main cells are programmed. Including.
一実施形態によれば、各々が複数の抵抗状態のうち何れか一つを有するメモリセルを含む可変抵抗メモリ装置の読み出し方法は、複数のレファレンスセルから感知されるビットライン電圧を用いてレファレンス電圧を生成するステップと、前記レファレンス電圧を参照してメインセルにプログラムされたデータを読み出すステップと、を含む。 According to one embodiment, a read method of a variable resistance memory device, each including a memory cell having one of a plurality of resistance states, includes a reference voltage using a bit line voltage sensed from the plurality of reference cells. And reading data programmed in the main cell with reference to the reference voltage.
一実施形態によれば、前記複数のレファレンスセルが前記複数の抵抗状態うち少なくとも2つの状態を有するようにプログラムされるステップをさらに含む。 According to one embodiment, the method further includes programming the plurality of reference cells to have at least two of the plurality of resistance states.
一実施形態によれば、前記複数のレファレンスセルと前記メインセルは、同一ワードラインに連結される。 According to one embodiment, the plurality of reference cells and the main cell are connected to the same word line.
一実施形態によれば、前記複数のレファレンスセルは、前記メインセルのうち、少なくとも一つがプログラムされる毎にプログラムされる。 According to one embodiment, the plurality of reference cells are programmed each time at least one of the main cells is programmed.
一実施形態によれば、前記レファレンスセルは、前記複数の抵抗状態のうち、相異する2つの状態に対応する抵抗値を有するようにプログラムされる。 According to an embodiment, the reference cell is programmed to have resistance values corresponding to two different states of the plurality of resistance states.
一実施形態によれば、前記レファレンス電圧を生成するステップにおいて、前記レファレンスセルから感知される相異する2つの状態に対応するビットライン電圧を用いて前記複数の抵抗状態の各々を識別するための複数のレファレンス電圧が生成される。 According to an embodiment, in the step of generating the reference voltage, for identifying each of the plurality of resistance states using bit line voltages corresponding to two different states sensed from the reference cell. A plurality of reference voltages are generated.
前記複数のレファレンスセルは、前記相異する2つの状態に対応する抵抗値を有するようにプログラムされる2つのレファレンスセルからなる。 The plurality of reference cells include two reference cells programmed to have resistance values corresponding to the two different states.
一実施形態によれば、前記複数のレファレンスセルは、前記複数の抵抗状態の各々に対応する抵抗値を有するようにプログラムされる。 According to one embodiment, the plurality of reference cells are programmed to have a resistance value corresponding to each of the plurality of resistance states.
一実施形態によれば、前記複数のレファレンスセルの数は、前記複数の抵抗状態に対応する。 According to one embodiment, the number of the plurality of reference cells corresponds to the plurality of resistance states.
一実施形態によれば、前記レファレンス電圧を生成するステップにおいて、前記複数のレファレンスセルの各々のビットライン電圧を用いて前記複数の抵抗状態の各々を識別するための複数のレファレンス電圧が生成される。 According to an embodiment, in the step of generating the reference voltage, a plurality of reference voltages for identifying each of the plurality of resistance states is generated using a bit line voltage of each of the plurality of reference cells. .
一実施形態によれば、各々が複数の抵抗状態のうち何れか一つを有するマルチレベル相変化メモリ装置のレファレンス電圧生成方法は、複数のレファレンスセルを前記複数の抵抗状態うち、少なくとも2つの状態に対応する抵抗値を有するようにプログラムするステップと、前記複数のレファレンスセルから感知されるビットライン電圧を用いてレファレンス電圧を生成するステップと、を含む。 According to one embodiment, a method for generating a reference voltage of a multi-level phase change memory device, each having any one of a plurality of resistance states, includes: a plurality of reference cells having at least two states among the plurality of resistance states; And programming a reference voltage using a bit line voltage sensed from the plurality of reference cells.
一実施形態によれb、前記複数のレファレンスセルをプログラムするステップは、前記複数のレファレンスセルと同一のワードラインに連結されるメインセルのうち、少なくとも一つがプログラムされる毎に行なわれる。 In one embodiment, the step of programming the plurality of reference cells is performed each time at least one of the main cells connected to the same word line as the plurality of reference cells is programmed.
一実施形態によれば、前記複数のレファレンスセルは、前記複数の抵抗状態のうち、相異する2つの状態に対応する抵抗値でプログラムされる。 According to one embodiment, the plurality of reference cells are programmed with resistance values corresponding to two different states of the plurality of resistance states.
一実施形態によれば、前記レファレンス電圧を生成するステップにおいて、前記相異する2つの状態に対応するビットライン電圧を用いて前記複数の抵抗状態の各々を識別するためのレファレンス電圧が生成される。 According to an embodiment, in the step of generating the reference voltage, a reference voltage for identifying each of the plurality of resistance states is generated using a bit line voltage corresponding to the two different states. .
一実施形態によれば、前記複数のレファレンスセルは、各々相異する2つの状態に対応する抵抗値を有するようにプログラムされる2つの相変化メモリセルからなる。 According to one embodiment, the plurality of reference cells comprise two phase change memory cells programmed to have resistance values corresponding to two different states, respectively.
一実施形態によれば、前記レファレンス電圧を生成するステップにおいて、前記2つのレファレンスセルのビットライン電圧を用いて前記複数の抵抗状態を識別するための複数のレファレンス電圧が生成される。 According to an embodiment, in the step of generating the reference voltage, a plurality of reference voltages for identifying the plurality of resistance states are generated using the bit line voltages of the two reference cells.
一実施形態によれば、前記複数のレファレンスセルは、前記複数の抵抗状態の各々に対応する抵抗値を有するようにプログラムされる。 According to one embodiment, the plurality of reference cells are programmed to have a resistance value corresponding to each of the plurality of resistance states.
一実施形態によれば、前記複数のレファレンスセルは、前記複数の抵抗状態に対応する数の相変化メモリセルからなる。 According to one embodiment, the plurality of reference cells include a number of phase change memory cells corresponding to the plurality of resistance states.
一実施形態によれば、前記レファレンス電圧を生成するステップにおいて、前記複数のレファレンスセルの各々のビットライン電圧を用いて前記複数の抵抗状態を識別するための複数のレファレンス電圧が生成される。 According to an embodiment, in the step of generating the reference voltage, a plurality of reference voltages for identifying the plurality of resistance states are generated using the bit line voltages of each of the plurality of reference cells.
詳述した通り、本発明によるマルチレベル相変化メモリ装置は、読み出し動作時に、メモリセルの抵抗値変化を補正するための可変的なレファレンス電圧を提供することによって、読み出しエラーを減らすことができる。 As described in detail, the multi-level phase change memory device according to the present invention can reduce read errors by providing a variable reference voltage for correcting a change in resistance of a memory cell during a read operation.
前述の一般な説明及び次の詳細な説明は、例示的ということが分かり、請求された発明の付加的な説明が提供されることと認めなければならない。 It should be appreciated that the foregoing general description and the following detailed description are to be regarded as illustrative and provide additional explanation of the claimed invention.
参照符号が本発明の好ましい実施形態に詳細に表示されていて、その例が参照図面に表示されている。如何なる場合にも、同一の参照番号が同一または類似の部分を参照するように、説明及び図面において使用される。 Reference numerals are shown in detail in the preferred embodiments of the present invention, examples of which are shown in the reference drawings. In any case, the same reference numerals are used in the description and the drawings to refer to the same or similar parts.
以下、マルチレベル相変化メモリ装置が本発明の特徴及び機能を説明するための一例として使用される。しかしながら、この技術分野に精通した人は、ここに記載の内容によって、本発明の他の利点及び性能を容易に理解することができる。本発明は、他の実施形態を通して、具現、または適用されることができる。また、詳細な説明は、本発明の範囲、技術的思想、及び他の目的から逸脱せず、観点及び応用によって修正、または変更できる。 Hereinafter, a multi-level phase change memory device will be used as an example for explaining the features and functions of the present invention. However, those skilled in the art can readily appreciate other advantages and performances of the present invention as described herein. The present invention can be embodied or applied through other embodiments. The detailed description can be modified or changed according to the viewpoint and application without departing from the scope, technical idea, and other objects of the present invention.
図3は、本発明のマルチレベル相変化メモリ装置のメモリセル構造を簡略に示す断面図である。図3に示すように、メモリセル10は、可変抵抗体11とアクセストランジスタNTからなる。可変抵抗体11は、ビットラインBLに連結される。アクセストランジスタNTは、可変抵抗体11と接地との間に連結される。アクセストランジスタNTのゲートには、ワードラインWLが連結されている。アクセストランジスタNTがターン−オン(Turn−on)されれば、可変抵抗体11にはビットラインBLを通して電流Icが供給される。図3のアクセストランジスタNTは、ダイオード(Diode)形態に具現できることは、この分野で通常の知識を有する者には自明である。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a memory cell structure of the multilevel phase change memory device of the present invention. As shown in FIG. 3, the
再度、図3に示すように、可変抵抗体11は、上部電極13、相変化物質14、コンタクトプラグ15、及び下部電極16を含む。上部電極13は、ビットラインBLに連結される。下部電極16は、コンタクトプラグ(Contact plug;CP)15とアクセストランジスタNTとの間に連結される。コンタクトプラグ15は、導電性物質(例えば、TiNなど)で形成され、ヒータプラグ(Heater Plug)ともいう。相変化物質14は、上部電極13とコンタクトプラグ15との間に形成される。相変化物質14の状態(Phase)は、供給される電流パルスの大きさ(Amplitude)、幅(Duration)、下降時間(Fall time)などによって変わる。図3で斜線を引いた部分17は、相変化物質の非晶質量(Amorphous volume)示す。非晶質状態(Amorphous state)から結晶状態(Crystal state)に進行されるほど非晶質量は少なくなる。
Again, as shown in FIG. 3, the
相変化物質14は、ビットラインBLを通して提供される電流パルスによって2つ以上の状態を有することができる。これをマルチ状態(Multi state)という。メモリセル10は、相変化物質14に形成される非晶質量(Amorphous volume)によって、マルチ状態うち、何れか一つの状態を有する。相変化物質14の非晶質量(Amorphous volume)によって、可変抵抗体11の抵抗(Resistance)は変わる。すなわち、相異する電流パルスによって形成される相変化物質14の非晶質量17、18、19の各々は、相異するマルチビットデータに対応する。電流パルスによって、可変抵抗体14は、セット状態(Set state)に対応する結晶状態と詳述したリセット状態17、18、19とのうち、何れか一つの状態でプログラムされる。
The phase change material 14 may have more than one state due to a current pulse provided through the bit line BL. This is called a multi-state. The
図4Aは、非晶質状態を有するメモリセルの時間経過(Time elapse)による抵抗変化を示すグラフである。ここで、抵抗素子の抵抗は、多様な原因によって時間の経過に従って増加できる。特に、時間の経過によってリセット状態(Reset state)の抵抗値は、抵抗素子の初期抵抗が大きいほど、さらに著しく増加する。図4に示すように、グラフの横軸は、メモリセルがプログラムされた以後に経過する時間を示す。グラフの縦軸は、メモリセルの抵抗値を示す。図示のように、抵抗素子の抵抗値は、プログラムされた以後に固定された値を維持できず、時間の経過によって増加する。マルチレベルセルにおいて、このような抵抗素子の特性は、読み出しマージンを減少させる。したがって、プログラム以後、一定時間が経過した後に読み出されるデータの場合、エラーを含む可能性がある。時間経過による抵抗の変化は、マルチレベル相変化メモリ装置を具現するのに、制限要因として作用する。 FIG. 4A is a graph showing a change in resistance over time of a memory cell having an amorphous state. Here, the resistance of the resistance element can be increased over time due to various causes. In particular, the resistance value in the reset state (Reset state) increases with time as the initial resistance of the resistance element increases. As shown in FIG. 4, the horizontal axis of the graph indicates the time that elapses after the memory cell is programmed. The vertical axis of the graph indicates the resistance value of the memory cell. As shown in the figure, the resistance value of the resistance element cannot maintain a fixed value after being programmed, and increases with the passage of time. In a multi-level cell, such resistance element characteristics reduce the read margin. Therefore, in the case of data read after a certain time has elapsed since the program, there is a possibility that an error is included. The change in resistance over time acts as a limiting factor in implementing a multi-level phase change memory device.
図4Bは、相変化メモリセルの抵抗素子の熱履歴(Temperature hysteresis)による抵抗の変化を示すグラフである。図4Bの熱履歴曲線は、2−ビットマルチレベルセル2−bitMLCの場合を挙げて説明された。‘11’状態及び‘10’状態でデータがプログラムされたセルを挙げて、熱履歴に関連する抵抗の変化による問題を説明する。温度の関数(1/kT、ここで、kはボルツマン常数、Tは絶対温度)の変化によって変化する抵抗素子の抵抗をグラフは示す。熱履歴は、特定時間温度を増加させた後、また元来の温度に復帰する場合の、抵抗素子の抵抗値変化を示す。すなわち、図面で各々の2−ビットデータ‘11’、‘10’、‘01’、‘00’に対応する抵抗値は、温度の増加時と温度の減少時に、他の抵抗の変化率を有する。‘10’データがプログラムされたセルの熱履歴を見ると、温度を高める時の抵抗変化30曲線は、温度をまた下げる時の抵抗変化40曲線と一致しない。温度が最初の温度に復帰されるとしても、温度変化の影響で抵抗素子の抵抗は、温度変化以前の値とは異なる値を有する。このような特性によって、極端な場合には‘11’に対応する抵抗値と‘10’に対応する抵抗値とが重なり、センシング動作の信頼性を減少させる。このような現状は、制限された抵抗範囲(Resistance Window)内で2−ビット以上のデータを格納するためのマルチレベルセルMLCでは、大きい技術的障壁として作用する。
FIG. 4B is a graph showing a change in resistance due to thermal history of the resistance element of the phase change memory cell. The thermal history curve of FIG. 4B has been described with reference to a 2-bit multilevel cell 2-bit MLC. Taking the cells programmed with data in the '11' state and the '10' state, the problem due to the resistance change related to the thermal history will be described. The graph shows the resistance of the resistive element that varies with changes in temperature function (1 / kT, where k is Boltzmann's constant and T is absolute temperature). The thermal history indicates a change in the resistance value of the resistance element when the temperature is increased for a specific time and then returned to the original temperature. That is, the resistance values corresponding to the 2-bit data “11”, “10”, “01”, and “00” in the drawing have the rate of change of other resistances when the temperature increases and decreases. . Looking at the thermal history of the cell programmed with '10' data, the
図4A及び図4Bで各々説明されたように、抵抗素子の時間、または温度によって可変される抵抗値を考慮したセンシングスキームが、マルチレベルセルの信頼性提供のためには切実に必要とされる実情がある。また、抵抗素子の可変される抵抗は、詳述した時間や温度だけでなく、多様な要因に起因し得ることは、この分野で通常の知識を有する者には自明である。本発明では、詳述した多様な要因による抵抗の変化を相殺できる可変レファレンス電圧の提供方法及び装置が提供される。 As described with reference to FIGS. 4A and 4B, a sensing scheme that takes into account a resistance value that varies according to the time or temperature of a resistive element is urgently needed to provide multi-level cell reliability. There is a real situation. Further, it is obvious to those skilled in the art that the variable resistance of the resistance element can be caused by various factors as well as the time and temperature described in detail. The present invention provides a method and an apparatus for providing a variable reference voltage capable of canceling a resistance change due to various factors described in detail.
図5は、本発明の実施形態を簡略に表すマルチレベル相変化メモリ装置を示すブロック図である。図5に示すように、読み出し動作時レファレンス領域120のメモリセルからレファレンス電圧発生回路140に複数のビットライン電圧が提供される。レファレンス電圧発生器140は、複数のビットライン電圧を参照してレファレンス電圧Vrefを生成する。レファレンス電圧Vrefは、メイン領域110に含まれるメモリセルの抵抗値変化が補正できる基準値として感知増幅回路130に提供される。
FIG. 5 is a block diagram illustrating a multi-level phase change memory device that schematically represents an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, a plurality of bit line voltages are provided to the reference
メイン領域110は、マルチビットデータを格納する相変化メモリセルを含む。そして、本発明による相変化メモリ装置100は、レファレンスセル(Reference cell)からなるレファレンス領域120を含む。
感知増幅回路130は、読み出し動作時に選択されたメモリセルのデータを感知する。感知増幅回路130は、読み出し動作時に選択されたメモリセルのビットラインに連結されるセンシングノード(Sensing node)の電圧を、レファレンス電圧Vrefと比較する。感知増幅回路130は、比較された結果値SA0を読み出しデータに出力する。ここで、本発明による感知増幅回路130は、メモリセルの抵抗値の変化を補正するためのレファレンス電圧Vrefが提供される。レファレンス電圧Vrefは、レファレンス電圧発生回路140から提供される。
The
レファレンス電圧発生回路140は、読み出し動作時レファレンスセルから提供されるビットライン電圧を参照して、マルチレベルセルを読み出すためのレファレンス電圧Vrefを生成する。一例として、2−ビットマルチレベルセルの場合、レファレンス電圧発生回路140は、少なくとも2つのレファレンスセルから提供されるビットライン電圧を参照して、4個の抵抗状態を識別するためのレファレンス電圧Vrefを生成できる。または、2−ビットマルチレベルセルの場合、レファレンス電圧発生回路140は、少なくとも4個のレファレンスセルから提供されるビットライン電圧を参照して、4個の抵抗状態を識別するためのレファレンス電圧Vrefを生成できる。
The reference
書き込みドライバ150は、制御ロジック170によって制御され、入出力バッファ回路160を通して提供されるデータによって、メモリセルのビットラインで書き込み電流を供給する。特に、本発明の書き込みドライバ150は、書き込み動作時、選択されたメイン領域110のメモリセルをプログラムするためのパルス電流を提供する毎に、選択されたメモリセルとワードラインを共有するようになるレファレンスセルを所定のデータにプログラムする。書き込み動作時、書き込みドライバ150は、選択されたワードラインWLに連結されるレファレンスセルを、所定の選択されたメイン領域のメモリセルと同時にプログラムする。
The
入出力バッファ160は、書き込み動作時に外部から提供される書き込みデータを書き込みドライバ150に提供する。入出力バッファ160は、読み出し動作時に感知増幅回路130から伝達される感知データSA0を外部に伝達する。
The input /
制御ロジック170は、読み出し動作及び書き込み動作時に書き込みドライバ150及び感知増幅回路130の動作を制御する。特に、制御ロジック170は、書き込み動作時に選択されたメモリセルとワードラインを共有するレファレンス領域120のレファレンスセルがプログラムされるように、書き込みドライバ150を制御する。
The
アドレスデコーダ180は、書き込みや読み出し動作モード時に外部から提供されるアドレスADDRをデコーディングして、メモリセルのワードライン及びビットラインを選択するための選択回路(図示せず)に提供する。たとえ、図面には図示出来なかったが、複数のメモリセルが行(または、ワードライン)と列(またはビットライン)に配列される。各メモリセルは、スイッチ素子と抵抗素子とからなる。スイッチ素子は、MOSトランジスタ、ダイオードなどのような多様な素子を用いて具現できる。抵抗素子は、上述されたGST物質からなる相変化膜を含むように構成される。
The
以上の構成を通して、本発明のマルチレベル相変化メモリ装置100は、入出力データを格納するメインセルと、メインセルと対応するレファレンスセルとを含む。レファレンスセルは、メインセルがプログラムされる毎に、特定抵抗状態にプログラムされる。したがって、レファレンスセルの時間の経過によるメモリセルを構成するGST物質の抵抗ドリフトの大きさは、メインセルと同期される。レファレンスセルとレファレンス電圧発生回路140は、メインセルの抵抗変化を補正するためのレファレンス電圧を提供できる。したがって、信頼性の高いマルチレベル相変化メモリ装置を提供できる。
Through the above configuration, the multi-level phase
図6は、本発明の一実施形態によるレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、及びレファレンス電圧発生回路140を示すブロック図である。ここで、本発明の思想を簡略に説明するために、一つのメモリセルに2−ビットが格納されるマルチレベル相変化メモリ装置を例示的に説明する。図6に示すように、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>は、一つのワードラインに2つが割り当てられる。そして、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>は、メイン領域のメモリセルにデータが書き込まれる毎に、相異する抵抗状態を有するようにプログラムされる。読み出し動作時、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>から提供されるビットライン電圧を参照して、マルチ状態の各々を識別するためのレファレンス電圧Vrefを生成する。
FIG. 6 is a block diagram illustrating the reference cells RMC <1> and RMC <2> and the reference
図示されたように、メイン領域110のメインセルMC<1>〜MC<n>とレファレンス領域120のレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>は、同一のワードラインWLに連結される。メインセルMC<1>〜MC<n>は、例えば、入出力単位(例えば、1ワード(Word))に対応する16個のメモリセルからなる。レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>は、16個のメモリセルとワードラインWLとを共有するように形成される。レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>の各々は、メインセルMC<1>〜MC<n>でデータが書き込まれる毎に、相異する抵抗状態でプログラムされる。すなわち、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>は、ワードラインを共有するメインセルのうち、少なくとも何れか一つがプログラムされる毎にプログラムされる。レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>の各々は、相異するマルチビットデータでプログラムされることによって、相異するセル抵抗を有する。レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>に書き込まれたマルチビットデータについては、後述する図7で詳細に説明する。
As illustrated, the main cells MC <1> to MC <n> in the
読み出し動作時、アドレスによってワードラインWLが選択され、選択されたワードラインに連結するメモリセルに格納されたデータがビットラインBL<1>〜BL<n>、RBL<1>、RBL<2>によって感知される。より詳細に説明すれば、各々のビットラインは、プリチャージ回路(図示せず)によってプリチャージされ、感知増幅回路130は、プリチャージされたビットラインの電圧を感知して、メモリセルに格納されたデータを判別する。すなわち、感知増幅回路130は、ビットラインBL<1>〜BL<n>の感知ノードから感知される電位と、レファレンス電圧発生回路140から提供されるレファレンス電圧Vrefとを比較する。比較結果によって選択されたメモリセルの各々に格納されたデータが感知されて出力される。特に、本発明の相変化メモリ装置は、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>のビットラインRBL<1>、RBL<2>の電位によって、レファレンス電圧Vrefを生成する。レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>は、プログラム動作時に、4個のマルチ状態のうち、相異する状態で各々プログラムされた。したがって、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>は、相異する抵抗値を有する。メインセルMC<1>〜MC<n>とレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>は、プログラムされた時間が同一である。したがって、時間の経過によってメインセルMC<1>〜MC<n>とレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>との可変抵抗体GSTで発生する抵抗変化率は同一である。
During the read operation, the word line WL is selected according to the address, and the data stored in the memory cells connected to the selected word line is stored in the bit lines BL <1> to BL <n>, RBL <1>, RBL <2>. Perceived by. More specifically, each bit line is precharged by a precharge circuit (not shown), and the
読み出し動作時に、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>の抵抗値変化は、ビットラインRBL<1>、RBL<2>を通して感知される。ビットラインRBL<1>、RBL<2>の電圧V1、V2は、レファレンス電圧発生回路140に提供される。レファレンス電圧発生回路140は、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>から感知される抵抗の変化を参照して、抵抗ドリフトを補正するためのレファレンス電圧Vrefを生成する。生成されたレファレンス電圧Vrefは、感知増幅回路130に提供される。感知増幅回路130は、レファレンス電圧VrefとメインセルMC<1>〜MC<n>のビットライン電圧とを比較して、感知データSA0に出力する。ここで、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>の各々のプログラム状態は、2−ビットデータに対応する4個のマルチ状態のうち、相異する2つに対応する。例えば、レファレンスセルRMC<1>は、データ‘01’に対応する状態で、レファレンスセルRMC<2>は、データ‘10’に対応する状態でプログラムできる。
During the read operation, changes in the resistance values of the reference cells RMC <1> and RMC <2> are sensed through the bit lines RBL <1> and RBL <2>. The voltages V1 and V2 of the bit lines RBL <1> and RBL <2> are provided to the reference
たとえば、図6には一つのワードラインを共有するメインセルMC<1>〜MC<n>とレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>が示されているが、セルアレイに含まれるすべてのメモリセルは、以上で説明された構造によって構成される。また、複数のビットライン電圧が入力される感知増幅回路130が示されているが、ビットラインの各々に対応する感知増幅器(Sense Amplifier)が感知増幅回路130に含まれる。例えば、ビット構造がx8である場合、感知増幅回路130は8個の感知増幅器(Sense Amplifier)を含む。ビット構造がx16である場合、16個の感知増幅器(Sense Amplifier)が要求される。だが、感知増幅器等の数がビット構造に限られないことは、この分野で通常の知識を有する者には自明である。
For example, FIG. 6 shows main cells MC <1> to MC <n> and reference cells RMC <1>, RMC <2> sharing one word line, but all the memories included in the cell array. The cell is constituted by the structure described above. Also, although a
詳述した構成とレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>のプログラムを通して、本発明の相変化メモリ装置は、読み出し動作時に、時間の経過によって発生するメモリセルの抵抗ドリフト影響を補正できる。したがって、マルチレベル相変化メモリ装置において、読み出し動作の信頼性を高めることができる。 Through the configuration described in detail and the programming of the reference cells RMC <1> and RMC <2>, the phase change memory device of the present invention can correct the influence of the resistance drift of the memory cell that occurs over time during the read operation. Accordingly, the reliability of the read operation can be improved in the multi-level phase change memory device.
図7は、詳述した図6のレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>のプログラム方法、及びレファレンス電圧の生成方法を示す図面である。図7に示すように、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>の各々は、2−ビットデータ‘00’、‘01’、‘10’、‘11’に対応する抵抗状態のうち、相異する2つの状態で各々プログラムされる。そして、読み出し動作時に、レファレンス電圧発生回路140は、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>の各々のビットライン電圧を参照して、レファレンス電圧Vref1、Vref2、Vref3を生成する。ここで、例示的な実施形態としてレファレンスセルRMC<1>は、データ‘01’に対応する抵抗値を有するように、かつレファレンスセルRMC<2>は、データ‘10’に対応する抵抗値を有するようにプログラムされる。レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>のプログラム動作は、同一のワードラインと連結するメインセルMC<1>〜MC<n>がプログラムされる時点と同一である。メインセルMC<1>〜MC<n>の抵抗値変化は、プログラム当時の状態210、220、230、240からドリフト状態211、221、231、241に移動する。このような抵抗値のドリフトは、各々データ‘01’とデータ‘10’にプログラムされたレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>でも同一に発生する。プログラムされた直後、レファレンスセルRMC<1>の抵抗は、データ‘01’に対応する状態220に含まれる。時間の経過によって、レファレンスセルRMC<1>の抵抗は、ドリフトされた状態221に分布する。プログラムされた直後、レファレンスセルRMC<2>の抵抗は、データ‘10’に対応する状態230に含まれる。時間の経過によって、レファレンスセルRMC<2>の抵抗は、ドリフトされた状態231に分布する。
FIG. 7 is a diagram illustrating a method of programming the reference cells RMC <1> and RMC <2> of FIG. 6 described in detail and a method of generating a reference voltage. As shown in FIG. 7, each of the reference cells RMC <1>, RMC <2> has a phase among resistance states corresponding to 2-bit data '00', '01', '10', '11'. Each is programmed in two different states. During the read operation, the reference
読み出し動作時に、外部から読み出し命令が入力されれば、メモリセルのビットラインはプリチャージされる。そして、ワードラインWLが活性化(例えば、ワードライン電圧が‘LOW’レベルに遷移)される。選択されたワードラインと連結されたメインセルMC<1>〜MC<n>及びレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>のデータは、プリチャージされたビットラインBLの電位変化として感知される。感知増幅回路130は、メインセルMC<1>〜MC<n>のビットライン電圧を感知する。レファレンス電圧発生回路140には、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>の各々のビットライン電圧が提供される。レファレンス電圧発生回路140には、ビットラインRBL<1>、RBL<2>に形成される電圧V1、V2が提供される。
If a read command is input from the outside during a read operation, the bit line of the memory cell is precharged. Then, the word line WL is activated (for example, the word line voltage is changed to the “LOW” level). Data of the main cells MC <1> to MC <n> and the reference cells RMC <1> and RMC <2> connected to the selected word line are detected as a potential change of the precharged bit line BL. . The
レファレンス電圧発生回路140は、ビットライン電圧V1のレベルを参照して‘00’状態と‘01’状態を識別するためのレファレンス電圧Vref1を生成する。すなわち、レファレンス電圧発生回路140は、ビットライン電圧V1のレベルを参照して、読み出しマージン(例えば、ΔV)を提供できるレベルを有するレファレンス電圧Vref1を生成する。すなわち、レファレンス電圧発生回路140は、ビットライン電圧V1を通して感知されたドリフトされた抵抗値221を参照して、レファレンス電圧Vref1を決定する。
The reference
また、レファレンス電圧発生回路140は、ビットライン電圧V2のレベルを参照して、‘10’状態と‘11’状態を識別するためのレファレンス電圧Vref3を生成する。レファレンスセルRMC<2>は、‘10’状態でプログラムされたドリフトした状態231に対応する抵抗値を有する。すなわち、レファレンス電圧発生回路140は、ビットライン電圧V2を通して感知されたドリフトした抵抗値231を参照して、レファレンス電圧Vref3を決定する。すなわち、レファレンス電圧発生回路140は、ビットライン電圧V2のレベルを参照して、読み出しマージン(例えば、ΔV)を提供できるレベルのレファレンス電圧Vref3を生成する。
Further, the reference
レファレンス電圧発生回路140は、既に決定されたレファレンス電圧Vref1、Vref3を用いて、‘01’状態と‘10’状態を識別するためのレファレンス電圧Vref2を生成する。レファレンス電圧Vref2は、レファレンス電圧Vref1とレファレンス電圧Vref3の算術平均値“(Vref1+Vref3)/2”で決定されることができる。
The reference
以上のレファレンス電圧発生回路140の動作を通して、時間の経過によってメモリセルの抵抗値がドリフト(Drift)されても、相変化メモリ装置の信頼性の高い読み出し動作が可能である。
Through the above operation of the reference
図8は、レファレンス領域120のレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>、及びレファレンス電圧発生回路140の他の実施形態を簡略に示すブロック図である。ここで、本発明の思想を簡略に説明するために、一つのメモリセルに2−ビットが格納される2−ビットマルチレベル相変化メモリ装置を例示的に説明する。図8に示すように、レファレンスセルは、一つのワードラインに少なくとも4個が割り当てられる。レファレンスセルの各々は、メイン領域のメモリセルにデータが書き込まれる毎に、4個の状態のうち、何れか一つでプログラムされる。また、レファレンスセルの各々は、相異する抵抗値に対応する状態でプログラムされる。読み出し動作時に、レファレンス電圧発生回路140は、レファレンスセルから提供されるビットライン電圧V1、V2、V3、V4を参照して、マルチビットの各々を識別するためのレファレンス電圧Vrefを生成する。
FIG. 8 is a block diagram schematically illustrating another embodiment of the reference cells RMC <1>, RMC <2>, RMC <3>, RMC <4>, and the reference
図示のように、メイン領域110のメインセルMC<1>〜MC<n>と、レファレンス領域120のレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>は、同一のワードラインWLに連結される。メインセルMC<1>〜MC<n>は、例えば、16個のメモリセルからなることができる。レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>は、16個のメモリセルとワードラインを共有するように構成される。レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>は、メインセルMC<1>〜MC<n>にデータが書き込まれる毎にプログラムされる。レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>は、相異するデータに対応する抵抗値で各々プログラムされる。レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>に書き込まれるデータについては、後述する図9で詳細に説明する。
As illustrated, the main cells MC <1> to MC <n> in the
読み出し動作時に、アドレスによってワードラインWLが選択され、選択されたワードラインに連結されるメモリセルに格納されたデータが、ビットラインBL<1>〜BL<n>、RBL<1>、RBL<2>、RBL<3>、RBL<4>によって感知される。より詳細に説明すると、各々のビットラインは、プリチャージ回路(図示せず)によってプリチャージされ、感知増幅回路130はプリチャージされたビットラインの電位変化を感知して、メモリセルに格納されたデータを判断する。すなわち、感知増幅回路130は、ビットラインBL<1>〜BL<n>の感知ノードから感知される電圧と、レファレンス電圧発生回路140から提供されるレファレンス電圧Vrefとを比較する。比較結果によって選択されたメモリセルの各々に格納されたデータが感知されて出力される。特に、本発明の相変化メモリ装置は、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>のビットラインRBL<1>、RBL<2>、RBL<3>、RBL<4>電位によって、レファレンス電圧Vrefが生成される。レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>は、プログラム動作時に、マルチビットデータの4個の状態中、相異する状態のうち、何れか一つで各々プログラムされた。したがって、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>の各々は、相異するセル抵抗を有する。読み出し動作時、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>の抵抗値によって、ビットラインRBL<1>、RBL<2>、RBL<3>、RBL<4>に形成されるセンシング電圧は、異なって発現される。メインセルMC<1>〜MC<n>MC<1>〜MC<n>と、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>は、同一の時点にプログラムされた。したがって、同一の時間変数を有する。レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>は、時間経過によるメモリセルの抵抗変化を検出して、レファレンス電圧発生回路140に提供する。レファレンス電圧発生回路140は、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>から感知される抵抗の変化を参照して、時間経過を補正するためのレファレンス電圧Vrefを生成して、感知増幅回路130に提供する。感知増幅回路130は、レファレンス電圧Vrefとメイン領域110の相変化メモリ装置のビットライン電圧とを比較して、感知データSA0として出力する。ここで、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>の各々のプログラム状態は、2−ビットデータに対応する4個の状態の各々に対応する。例えば、レファレンスセルRMC<1>は、データ‘00’に対応する状態で、レファレンスセルRMC<2>は、データ‘01’に対応する状態で、レファレンスセルRMC<3>は、データ‘10’に対応する状態で、及びレファレンスセルRMC<4>は、データ‘00’に対応する状態で、プログラムできる。
During a read operation, a word line WL is selected by an address, and data stored in memory cells connected to the selected word line is stored in bit lines BL <1> to BL <n>, RBL <1>, RBL <. 2>, RBL <3>, RBL <4>. More specifically, each bit line is precharged by a precharge circuit (not shown), and the
以上、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>が2−ビットデータに対応する4個の状態を有する2−ビットマルチレベル相変化メモリ装置に対して掲示されたが、本発明は、これに限定しない。例えば、レファレンスセルは、3−ビットマルチレベル相変化メモリ装置では、すべての抵抗状態でプログラムされるセルを具備するために、8個が含まれる。たとえば、図8には一つのワードラインを共有するメインセルMC<1>〜MC<n>と、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>が示されているが、セルアレイに含まれるすべてのメモリセルが、説明された構造と同一に構成される。 As described above, the reference cells RMC <1>, RMC <2>, RMC <3>, and RMC <4> are posted to a 2-bit multi-level phase change memory device having four states corresponding to 2-bit data. However, the present invention is not limited to this. For example, in the 3-bit multi-level phase change memory device, 8 reference cells are included to include cells programmed in all resistance states. For example, FIG. 8 shows main cells MC <1> to MC <n> sharing one word line and reference cells RMC <1>, RMC <2>, RMC <3>, RMC <4>. However, all the memory cells included in the cell array are configured identically to the described structure.
詳述した構成とレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>のプログラムを通して、読み出し動作時の時間の経過によって発生するメモリセルの抵抗ドリフト影響を補正できる。したがって、マルチレベル相変化メモリ装置において、読み出し動作の信頼性を高めることができる。 Through the detailed configuration and the programming of the reference cells RMC <1>, RMC <2>, RMC <3>, RMC <4>, it is possible to correct the influence of the resistance drift of the memory cell caused by the passage of time during the read operation. Accordingly, the reliability of the read operation can be improved in the multi-level phase change memory device.
図9は、詳述した図8のレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>のプログラム方法及びレファレンス電圧の生成方法を示す図面である。図9に示すように、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>は、2−ビットデータ‘00’、‘01’、‘10’、‘11’の各々に対応する状態のうち、対応する状態で各々プログラムされる。読み出し動作時に、レファレンス電圧発生回路140は、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>の各々のビットライン電圧を参照して、レファレンス電圧Vref1、Vref2、Vref3を生成する。
FIG. 9 is a diagram illustrating a programming method and a reference voltage generation method for the reference cells RMC <1>, RMC <2>, RMC <3>, and RMC <4> of FIG. 8 described in detail. As shown in FIG. 9, the reference cells RMC <1>, RMC <2>, RMC <3>, and RMC <4> include 2-bit data “00”, “01”, “10”, and “11”. Each of the corresponding states is programmed in the corresponding state. During the read operation, the reference
レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>の各々は、4種類の抵抗状態の各々に対応するようにプログラムできる。ここで、例示的な実施形態で、レファレンスセルRMC<1>は、データ‘00’に対応する状態310の抵抗値を有するように、レファレンスセルRMC<2>は、データ‘01’に対応する状態320の抵抗値を有するように、レファレンスセルRMC<3>は、データ‘10’に対応する状態330の抵抗値を有するように、そしてレファレンスセルRMC<4>は、データ‘11’に対応する状態340の抵抗値を有するようにプログラムされる。レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>のプログラムは、メインセルMC<1>〜MC<n>がプログラムされる時点と同一である。すなわち、同一のワードラインWLに連結されるメインセルMC<1>〜MC<n>がプログラムされる毎に、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>は詳述した状態でプログラムされる。したがって、メモリセルの抵抗素子で発生する抵抗値のタイムドリフトの大きさは、メインセルMC<1>〜MC<n>とレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>において同一である。時間の経過によってメインセルMC<1>〜MC<n>の抵抗値は、プログラム当時の状態310、320、330、340からドリフトした状態311、321、331、341に移動する。このような抵抗値変化は、データ‘00’、‘01’、‘10’及び‘11’でプログラムされたレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>でも同一に発生する。
Each of the reference cells RMC <1>, RMC <2>, RMC <3>, RMC <4> can be programmed to correspond to each of the four resistance states. Here, in the exemplary embodiment, the reference cell RMC <2> corresponds to the data '01' so that the reference cell RMC <1> has a resistance value of the
外部から読み出し命令が入力されれば、メモリセルのビットラインはプリチャージされる。そして、ワードラインが活性化(例えば、ワードライン電圧が‘LOW’レベルに遷移)される。選択されたワードラインと連結されたメイン領域のメモリセルMC<1>〜MC<n>、及びレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>のデータは、プリチャージされたビットラインBLの電位変化として感知される。感知増幅回路130は、メインセルMC<1>〜MC<n>のビットライン電位を感知する。レファレンス電圧発生回路140には、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>のビットライン電位が提供される。レファレンス電圧発生回路140には、ビットラインRBL<1>、RBL<2>、RBL<3>、RBL<4>に形成される電圧V1、V2、V3、V4が提供される。レファレンス電圧発生回路140は、電圧V1、V2、V3、V4のレベルを用いてレファレンス電圧を生成する。レファレンス電圧発生回路140は、電圧V1、V2、V3、V4を参照して、抵抗のドリフトを考慮した各状態に対応するレファレンス電圧Vref1、Vref2、Vref3を生成する。2つのレファレンスセルを含む場合に比べて、各状態に対応する抵抗値でプログラムされるレファレンスセルを含む実施形態は、レファレンス電圧発生回路140の負担を減らすことができる。この実施形態では、2−ビットデータを格納する4個の抵抗状態を有する相変化メモリ装置に限定してレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>が提供されることが説明された。すなわち、一つのワードライン当たり4個のレファレンスセルが提供されなければならない。しかしながら、3−ビットデータを格納するマルチレベルセルである場合、一つのワードライン当たりに提供されるべきレファレンスセルの数は8個である。
When a read command is input from the outside, the bit line of the memory cell is precharged. Then, the word line is activated (for example, the word line voltage is changed to the LOW level). The data of the memory cells MC <1> to MC <n> of the main area connected to the selected word line and the reference cells RMC <1>, RMC <2>, RMC <3>, RMC <4> are: This is detected as a change in the potential of the precharged bit line BL. The
以上、図9に示されたように、本発明のレファレンス電圧発生回路140は、抵抗のタイムドリフトに関係なく、最小の読み出しエラーを提供できるレファレンス電圧を提供できる。
As described above, as shown in FIG. 9, the reference
図10は、図8のレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>から提供される電圧V1、V2、V3、V4を用いた、可変的なレファレンス電圧Vref1、Vref2、Vref3の生成及び/または計算を例証する図である。詳述した図9から具体的に記述されなかったが、各々の可変的なレファレンス電圧Vref1、Vref2、Vref3は、簡単な算術演算を通して決定できる。すなわち、データ‘00’とデータ‘01’を分別するためのレファレンス電圧Vref1は、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>から提供される電圧V1、V2の算術平均(Median)で提供される。データ‘01’とデータ‘10’を分別するためのレファレンス電圧Vref2は、レファレンスセルRMC<2>、RMC<3>から提供される電圧V2、V3の算術平均(Median)、すなわち、(V2+V3)/2で提供される。データ‘10’とデータ‘00’を分別するためのレファレンス電圧Vref3は、レファレンスセルRMC<3>、RMC<4>から提供される電圧V3、V4の算術平均(Median)で提供される。もちろん、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>の各々は、4種類の抵抗状態の各々に対応するようにプログラムされなければならない。例示的に、レファレンスセルRMC<1>はデータ‘00’に対応する状態(310、図9参照)の抵抗値を有するように、レファレンスセルRMC<2>はデータ‘01’に対応する状態(320、図9参照)の抵抗値を有するように、レファレンスセルRMC<3>はデータ‘10’に対応する状態(330、図9参照)の抵抗値を有するように、及びレファレンスセルRMC<4>はデータ‘11’に対応する状態(340、図9参照)の抵抗値を有するようにプログラムされる。レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>のプログラムは、メインセルMC<1>〜MC<n>がプログラムされる時点と同一である。すなわち、同一ワードラインWLに連結されるメインセルMC<1>〜MC<n>がプログラムされる毎に、レファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>は詳述した状態でプログラムされる。したがって、メモリセルの抵抗素子で発生する抵抗値のタイムドリフト及び熱履歴による変化の大きさは、メインセルMC<1>〜MC<n>とレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>において同一である。熱履歴と時間の経過によってメインセルMC<1>〜MC<n>の抵抗値が変化しても、このような抵抗値変化はデータ‘00’、‘01’、‘10’及び‘11’でプログラムされたレファレンスセルRMC<1>、RMC<2>、RMC<3>、RMC<4>でも同一に発生する。したがって、詳述した抵抗の変化を補正できるレファレンス電圧Vref1、Vref2、Vref3が提供される。ここで、レファレンス電圧Vref1、Vref2、Vref3は熱履歴や、タイムドリフト、またはその他の多様な要因に対しても可変的に生成されるので、最適のレファレンス電圧に提供される。 FIG. 10 shows a variable reference voltage Vref1 using voltages V1, V2, V3, and V4 provided from the reference cells RMC <1>, RMC <2>, RMC <3>, and RMC <4> of FIG. , Vref2, Vref3 generation and / or calculation. Although not specifically described from FIG. 9 described in detail, the variable reference voltages Vref1, Vref2, and Vref3 can be determined through simple arithmetic operations. That is, the reference voltage Vref1 for separating the data '00' and the data '01' is provided as an arithmetic average (Median) of the voltages V1 and V2 provided from the reference cells RMC <1> and RMC <2>. . The reference voltage Vref2 for separating the data “01” and the data “10” is an arithmetic average (Media) of the voltages V2 and V3 provided from the reference cells RMC <2> and RMC <3>, that is, (V2 + V3). Provided at / 2. The reference voltage Vref3 for separating the data “10” and the data “00” is provided as an arithmetic average (Median) of the voltages V3 and V4 provided from the reference cells RMC <3> and RMC <4>. Of course, each of the reference cells RMC <1>, RMC <2>, RMC <3>, RMC <4> must be programmed to correspond to each of the four resistance states. Illustratively, the reference cell RMC <2> has a resistance value corresponding to the data '00' (310, see FIG. 9), so that the reference cell RMC <2> corresponds to the data '01'. 320, the reference cell RMC <3> has a resistance value corresponding to the data '10' (330, see FIG. 9), and the reference cell RMC <4. > Is programmed to have a resistance value in a state (340, see FIG. 9) corresponding to data '11'. The programming of the reference cells RMC <1>, RMC <2>, RMC <3>, RMC <4> is the same as when the main cells MC <1> to MC <n> are programmed. That is, every time the main cells MC <1> to MC <n> connected to the same word line WL are programmed, the reference cells RMC <1>, RMC <2>, RMC <3>, RMC <4> Programmed as detailed. Accordingly, the magnitudes of changes in resistance values generated by the resistance elements of the memory cells due to time drift and thermal history are the main cells MC <1> to MC <n> and the reference cells RMC <1>, RMC <2>, RMC. The same applies to <3> and RMC <4>. Even if the resistance values of the main cells MC <1> to MC <n> change with the heat history and the passage of time, such resistance value changes are represented by data '00', '01', '10' and '11'. The same occurs in the reference cells RMC <1>, RMC <2>, RMC <3>, and RMC <4> programmed in the above. Therefore, reference voltages Vref1, Vref2, and Vref3 that can correct the change in resistance described in detail are provided. Here, since the reference voltages Vref1, Vref2, and Vref3 are variably generated with respect to thermal history, time drift, and other various factors, the reference voltages Vref1, Vref2, and Vref3 are provided as optimum reference voltages.
図11は、本発明のマルチレベル相変化メモリ装置を装着する情報処理システムを例示的に示すブロック図である。本発明のマルチレベル相変化メモリ装置は、電力が遮断されても格納されたデータを維持できる不揮発性メモリ装置である。相変化メモリ装置は、ランダムデータアクセスを支援し、速いデータ読み出し及び処理を提供する。これは相変化メモリ装置がコードストレージ(コードの記憶)に理想的であることを意味する。セルラフォン、PDAデジタルカメラ、ポータブルゲームコンソール、及びMP3プレーヤのようなモバイル装置の使用増加によって、相変化メモリ装置はコードストレージ(Code storage)だけでなく、データストレージ(Data storage)としてより広く使用される。相変化メモリ装置は、また、HDTV、DVD、ルータ、及びGPSのようなホームアプリケーションに使用される。本発明によるマルチレベル相変化メモリ装置を含んだ情報処理システムが図11に概略的に図示されている。コンピュータシステム、モバイル機器などのような本発明による情報処理システム400は、システムバス460に電気的に連結された入出力装置420、プロセシングユニット430、モデム440、ユーザインタフェース450などからなる。情報処理システムは、このような構成に、本発明による相変化メモリ装置410を含む。相変化メモリ装置410は、図5で説明されたものと同一のマルチレベル相変化メモリ装置で具現される。マルチレベル相変化メモリ装置410は、プロセシングユニット430から提供されるデータを格納する。または、マルチレベル相変化メモリ装置410は、情報処理システム400のその他の構成から要請されるデータを提供できる。本発明による情報処理システム400がモバイル装置である場合、情報処理システム400の動作電圧を供給するためのバッテリ(図示せず)が追加的に提供される。たとえば、図面には示されなかったが、本発明による情報処理システム410には、応用チップセット(Application chipset)、カメライメージプロセッサ(Camera Image Processor:CIS)、モバイルDRAM、NANDフラッシュメモリ装置、などがさらに提供されることは、この分野の通常的な知識を有する者に自明である。
FIG. 11 is a block diagram exemplarily illustrating an information processing system to which the multilevel phase change memory device of the present invention is attached. The multi-level phase change memory device of the present invention is a non-volatile memory device that can maintain stored data even when power is cut off. Phase change memory devices support random data access and provide fast data reading and processing. This means that the phase change memory device is ideal for code storage. With the increasing use of mobile devices such as cellular phones, PDA digital cameras, portable game consoles, and MP3 players, phase change memory devices are more widely used not only for code storage but also for data storage. . Phase change memory devices are also used for home applications such as HDTV, DVD, router, and GPS. An information processing system including a multi-level phase change memory device according to the present invention is schematically illustrated in FIG. An
本発明の範囲、または技術的思想を逸脱せず、本発明の構造が多様に修正、変更できることは、この分野に熟練された者に自明である。詳述した内容を考慮してみる場合、もし、本発明の修正及び変更が請求の範囲及び同等物の範疇内に属すると、本発明がこの発明の変更及び修正を含むことと見なされる。 It will be apparent to those skilled in the art that the structure of the present invention can be modified and changed in various ways without departing from the scope or the technical idea of the present invention. In view of the detailed description, if the modifications and changes of the present invention fall within the scope of the claims and the equivalents, it is considered that the present invention includes the changes and modifications of the present invention.
10、20 PRAMセル
110 メインセル領域
120 レファレンスセル領域
130 感知増幅回路
140 レファレンス電圧発生回路
150 書き込みドライバ
160 入出力バッファ
170 制御ロジック
180 アドレスデコーダ
410 相変化メモリ装置
420 入出力装置
430 プロセシングユニット
440 モデム
450 ユーザインタフェース
460 システムバス
10, 20
Claims (40)
前記複数のメインセルがプログラムされる毎に、前記複数の抵抗状態のうち、相異する少なくとも2つの抵抗状態を有するようにプログラムされる複数のレファレンスセルと、
前記複数のレファレンスセルを感知して前記複数の抵抗状態の各々を識別するためのレファレンス電圧を生成するレファレンス電圧発生回路と、を含む可変抵抗メモリ装置。 A plurality of main cells programmed to have any one of a plurality of resistance states corresponding to each of the multi-bit data;
A plurality of reference cells programmed to have at least two different resistance states of the plurality of resistance states each time the plurality of main cells are programmed;
A variable resistance memory device, comprising: a reference voltage generating circuit that senses the plurality of reference cells and generates a reference voltage for identifying each of the plurality of resistance states.
前記第1レファレンスセルのビットラインを感知して前記第1状態及び前記第2状態を識別するための第1レファレンス電圧と、
前記第2レファレンスセルのビットラインを感知して前記第3状態及び前記第4状態を識別するための第3レファレンス電圧と、
前記第1レファレンス電圧と前記第3レファレンス電圧とのレベルを用いて前記第2状態及び前記第3状態を識別するための第2レファレンス電圧を生成することを特徴とする請求項4に記載の可変抵抗メモリ装置。 The reference voltage generation circuit includes:
A first reference voltage for sensing the bit line of the first reference cell to identify the first state and the second state;
A third reference voltage for sensing the bit line of the second reference cell to identify the third state and the fourth state;
5. The variable according to claim 4, wherein a second reference voltage for discriminating between the second state and the third state is generated using levels of the first reference voltage and the third reference voltage. 6. Resistive memory device.
前記第1状態でプログラムされる第1レファレンスセルと、
前記第1状態より高い抵抗値を有する前記第2状態でプログラムされる第2レファレンスセルと、
前記第2状態より高い抵抗値を有する前記第3状態でプログラムされる第3レファレンスセルと、
前記第3状態より高い抵抗値を有する前記第4状態でプログラムされる第4レファレンスセルと、を含むことを特徴とする請求項8に記載の可変抵抗メモリ装置。 Each of the plurality of reference cells is programmed to have a resistance value corresponding to any one of the first to fourth states having different resistances.
A first reference cell programmed in the first state;
A second reference cell programmed in the second state having a higher resistance value than the first state;
A third reference cell programmed in the third state having a higher resistance value than the second state;
The variable resistance memory device of claim 8, further comprising a fourth reference cell programmed in the fourth state having a higher resistance value than the third state.
前記複数の抵抗状態のうち、何れか一つを有する可変抵抗体と、
前記ワードラインに提供される選択信号に応答して選択されるようにスイッチする選択素子と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の可変抵抗メモリ装置。 Each of the plurality of main cells and the plurality of reference cells is
A variable resistor having any one of the plurality of resistance states;
The variable resistance memory device according to claim 1, further comprising: a selection element that switches to be selected in response to a selection signal provided to the word line.
複数のレファレンスセルから感知されるビットライン電圧を用いてレファレンス電圧を生成するステップと、
前記レファレンス電圧を参照してメインセルにプログラムされたデータを読み出すステップと、を含むことを特徴とする読み出し方法。 A method of reading a variable resistance memory device including memory cells each having one of a plurality of resistance states,
Generating a reference voltage using a bit line voltage sensed from a plurality of reference cells;
Reading the data programmed in the main cell with reference to the reference voltage.
複数のレファレンスセルを前記複数の抵抗状態うち、少なくとも2つの状態に対応する抵抗値を有するようにプログラムするステップと、
前記複数のレファレンスセルから感知されるビットライン電圧を用いてレファレンス電圧を生成するステップと、を含むレファレンス電圧生成方法。 A method for generating a reference voltage of a multi-level phase change memory device, each having any one of a plurality of resistance states,
Programming a plurality of reference cells to have resistance values corresponding to at least two of the plurality of resistance states;
Generating a reference voltage using a bit line voltage sensed from the plurality of reference cells.
前記可変抵抗メモリ装置を制御するためのメモリコントローラを含み、前記可変抵抗メモリ装置は、
マルチビットデータの各々に対応する複数の抵抗状態のうち、何れか一つを有するようにプログラムされる複数のメインセルと、
前記複数のメインセルがプログラムされる毎に、前記複数の抵抗状態のうち、相異する少なくとも2つの抵抗状態を有するようにプログラムされる複数のレファレンスセルと、
前記複数のレファレンスセルを感知して前記複数の抵抗状態の各々を識別するためのレファレンス電圧を生成するレファレンス電圧発生回路と、を含むメモリシステム。 A variable resistance memory device;
A memory controller for controlling the variable resistance memory device, the variable resistance memory device comprising:
A plurality of main cells programmed to have any one of a plurality of resistance states corresponding to each of the multi-bit data;
A plurality of reference cells programmed to have at least two different resistance states of the plurality of resistance states each time the plurality of main cells are programmed;
And a reference voltage generating circuit that senses the plurality of reference cells and generates a reference voltage for identifying each of the plurality of resistance states.
前記第1レファレンスセルのビットラインを感知して前記第1状態及び前記第2状態を識別するための第1レファレンス電圧と、
前記第2レファレンスセルのビットラインを感知して前記第3状態及び前記第4状態を識別するための第3レファレンス電圧と、
前記第1レファレンス電圧と前記第3レファレンス電圧のレベルを用いて前記第2状態及び前記第3状態を識別するための第2レファレンス電圧と、を生成することを特徴とする請求項38に記載のメモリシステム。 The reference voltage generation circuit includes:
A first reference voltage for sensing the bit line of the first reference cell to identify the first state and the second state;
A third reference voltage for sensing the bit line of the second reference cell to identify the third state and the fourth state;
The second reference voltage for identifying the second state and the third state is generated using levels of the first reference voltage and the third reference voltage. Memory system.
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